基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于分布式光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應 力傳感裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)具有連續(xù)分布式、長距離、高精度的測量特點，特 別適用于如大型土木工程、光纖通信、石油化工、電力工業(yè)等大范圍、長距離、高危險領(lǐng)域的 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。
[0003] 基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)主要有三大類：光時域方法、光頻域方法 和光相干域方法。光時域方法是利用窄脈沖的發(fā)射和接收時間差與光速乘積來定位散射信 號的位置和距離，其可分為兩大類：布里淵光時域分析儀（BOTDA)和布里淵光時域反射計 (BOTDR)。BOTDA是在光纖兩端分別輸入脈沖光和連續(xù)探測光，通過調(diào)節(jié)兩者的頻率差使連 續(xù)探測光經(jīng)受激布里淵放大后的功率達到最大，尋找最大功率位置所對應的頻率差便可得 到布里淵頻移。在BOTDR技術(shù)中，傳感光纖在單端輸入的脈沖光作用下產(chǎn)生自發(fā)后向布里 淵散射光，通過對布里淵散射譜信號進行探測以反演光纖中的溫度和應變信息。
[0004] BOTDR于1986年由Tkach等人提出。1992年Kurashima等人報道了第一個BOTDR 實驗系統(tǒng)，為了相干接收檢測微弱的自發(fā)布里淵散射信號，采用了兩個1320nm波長的 NchYAG激光器分別提供脈沖泵浦光和本振光。該系統(tǒng)對于Ilkm長的光纖獲得了 IOOm空間 分辨率和3. 6MHz的布里淵頻移精度，對應溫度和應變精度分別為3K和。1993年Shimizu 等人提出了采用一個1. 5 μπι波長激光源同時提供脈沖泵浦光和本振光光源的B0TDR。因 BOTDR對應力、應變很敏感，且具有較好的線型關(guān)系，國際上一些機構(gòu)，如日本ΝΤΤ、加拿大 ISIS、瑞士 SMARTTECH等開展了大量BOTDR應變測量的應用研宄，取得了良好效果。如日本 的KiharaM.等人采用BOTDR系統(tǒng)監(jiān)測河堤的塌陷位移。BOTDR技術(shù)可用于監(jiān)測海底通信 光纖光纜的應變，地震破壞的檢測，確定冰凍通信光纜應變。BOTDR系統(tǒng)已開始應用于混凝 土橫梁，鐵路橋基中混凝土墩的加載試驗、大型混凝土管、游艇艇體損傷探測、河流防洪堤 混凝土結(jié)構(gòu)的應變分布實驗測量。
[0005] 上述BOTDR采用相干檢測及微弱信號處理技術(shù)。這不僅增加了信號檢測和處理的 難度和復雜性，影響測量精度，也使整個系統(tǒng)費用增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 光散射是一種常見的光與粒子作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。光纖中散射光包含瑞利散射、 拉曼散射和布里淵散射。瑞利散射是最主要的散射現(xiàn)象，它主要由光纖制造過程中材料缺 陷或密度波動導致的。拉曼散射是入射光和分子振動（光學聲子）相互作用下產(chǎn)生的，拉 曼散射光頻率存在多普勒頻移，當入射光波長在1550nm附近時，頻移量約13ΤΗΖ。其能量大 概比瑞利散射小約30dB。布里淵散射是入射光和介質(zhì)聲波（聲學聲子）相互作用下產(chǎn)生 的，因此，散射光頻率量與光纖中的聲波速度有光。當入射光波長在1550nm附近時，頻移量 為IlGHz左右。
[0007] 參見圖1，光纖中后向瑞利散射和后向布里淵散射關(guān)于入射光呈對稱分布。其中， 散射光中頻率變大的部分稱為反斯托克斯，頻率變小的部分為斯托克斯。光纖中的后向布 里淵散射強度較后向瑞利散射低20dB到30dB，布里淵散射與瑞利散射距約11. 2GHz，布里 淵散射譜的半高全寬在30MHz至60MHz之間。因此，為了從后向散射光中直接提取小頻移 量、線寬幾十MHz的微弱布里淵散射信號，對濾波器濾波性能、鑒頻器的鑒頻精度和探測器 性能要求嚴格。
[0008] 相干檢測中，必須通過頻率掃描，同時檢測布里淵散射的功率、譜寬、頻移三個物 理量中的任意兩個，然后可以分別反演溫度和應力信息。因為布里淵后向散射功率受多種 因素干擾，研宄認為使用熊貓型保偏光纖，同時檢測布里淵散射譜的頻移和譜寬變化可以 達到布里淵光時域反射計技術(shù)的最高精度。
[0009] 布里淵散射譜的頻移是傳感光纖所承受溫度T和軸向應力ε的函數(shù)，記為 υΒ(Τ，ε )，且
【主權(quán)項】
1. 基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置，其特征在于，包括光學發(fā)射系統(tǒng) (100)、光纖傳感系統(tǒng)（200)、高光譜分辨掃描系統(tǒng)（300)、光學濾波系統(tǒng)（400)、數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)（500)和控制系統(tǒng)（600)，其中， 所述光學發(fā)射系統(tǒng)（100)用于輸出激光脈沖；所述光纖傳感系統(tǒng)（200)用于將光學發(fā) 射系統(tǒng)（100)輸出的激光脈沖傳輸?shù)絽⒖脊饫w和待測光纖中并將光纖的后向散射信號耦 合到所述高光譜分辨掃描系統(tǒng)（300)中；所述高光譜分辨掃描系統(tǒng)（300)用于對光纖后向 散射譜進行掃描，所述高光譜分辨掃描系統(tǒng)（300)包括法布里-帕羅干涉儀；所述光學濾波 系統(tǒng)（400)用于濾除光纖端面反射信號、光纖瑞利后向散射信號及背景噪聲，從而提取參 考光纖和待測光纖中的布里淵后向散射信號；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（500)用于對參考光纖和 待測光纖后向布里淵散射信號進行探測和采集，根據(jù)參考光纖中的已知溫度和應變下的后 向布里淵散射譜，及待測光纖的后向布里淵散射譜的譜寬和相對頻移信息得到待測光纖中 的溫度和應變信息；所述光學發(fā)射系統(tǒng)（100)、高光譜分辨掃描系統(tǒng)（300)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (500)的工作和數(shù)據(jù)交互均在所述控制系統(tǒng)（600)的控制下完成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置，其特征在 于， 還包括恒溫箱； 所述光學發(fā)射系統(tǒng)（100)包括激光器和聲光調(diào)制器； 所述光纖傳感系統(tǒng)（200)包括第一環(huán)形器（1)和參考光纖（3); 所述高光譜分辨掃描系統(tǒng)（300)還包括起偏器和法布里一帕羅干涉儀控制器； 所述光學濾波系統(tǒng)（400)包括第二環(huán)形器（2)和布拉格光柵； 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（500)包括單光子探測器和采集卡； 所述控制系統(tǒng)（600)包括任意函數(shù)發(fā)生器和計算機； 所述激光器輸出的光輻射經(jīng)過所述聲光調(diào)制器后進入所述第一環(huán)形器（1)的輸入端， 所述第一環(huán)形器（1)的收發(fā)復用端與所述參考光纖（3)連接，由所述第一環(huán)形器（1)的輸 出端輸出的光輻射依次經(jīng)過所述起偏器、所述法布里一帕羅干涉儀后進入所述第二環(huán)形器 (2) 的輸入端，所述布拉格光柵設置在所述第二環(huán)形器（2)的收發(fā)復用端的出射光路中，所 述第二環(huán)形器（2)的輸出端與所述單光子探測器和所述采集卡依次連接； 所述法布里一帕羅干涉儀控制器與所述法布里一帕羅干涉儀連接，用于控制所述法布 里一帕羅干涉儀； 所述任意函數(shù)發(fā)生器分別與所述聲光調(diào)制器、采集卡和單光子探測器連接，用于向所 述聲光調(diào)制器、采集卡和單光子探測器發(fā)送控制信號； 所述計算機分別與所述法布里一帕羅干涉儀控制器和采集卡連接，用于向所述法布 里一帕羅干涉儀控制器發(fā)送控制信號、實現(xiàn)與所述采集卡的信號交互，以及對接收到的信 號進行數(shù)據(jù)處理； 所述參考光纖（3)與所述法布里一帕羅干涉儀放置于所述恒溫箱中，所述參考光纖 (3) 的尾纖用于連接待測光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置，其特 征在于，所述光學發(fā)射系統(tǒng)（100)還包括放大器和隔離器，所述放大器設置于所述聲光調(diào) 制器和所述第一環(huán)形器（1)組成的光路之間，所述隔離器設置于所述放大器和所述第一環(huán) 形器（1)組成的光路之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置，其特征在 于，所述激光器為光纖激光器，所述第一環(huán)形器（1)和第二環(huán)形器（2)均為光纖環(huán)形器，所 述聲光調(diào)制器為光纖聲光調(diào)制器，所述起偏器為光纖起偏器，所述法布里一帕羅干涉儀為 光纖法布里一帕羅干涉儀，所述放大器為光纖放大器，所述隔離器為光纖隔離器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置， 其特征在于，所述法布里一帕羅干涉儀控制器的電壓調(diào)節(jié)精度為1 UV，調(diào)節(jié)步長為lmV ;所 述法布里一帕羅干涉儀的自由譜間距為4. 02GHz，精細度為43,所述單光子探測器為上轉(zhuǎn) 換單光子探測器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置，其特征在 于，所述布拉格光柵為反射式布拉格光柵，其帶寬為8pm，中心波長為1548. 18nm，反射率為 99%〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置， 其特征在于，所述激光器的中心波長為光通信波段。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置，其特征在 于，所述參考光纖（3)為熊貓型保偏光纖，所述恒溫箱的控溫精度為0.01K。
9. 基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟S1、輸出激光脈沖； 步驟S2、將激光脈沖傳輸?shù)絽⒖脊饫w和待測光纖中并將參考光纖和待測光纖的后向散 射信號耦合到高光譜分辨掃描系統(tǒng)中； 步驟S3、參考光纖和待測光纖的后向散射信號經(jīng)過法布里-帕羅干涉儀，并保持法布 里-帕羅干涉儀的腔長不變； 步驟S4、濾除參考光纖和待測光纖的端面反射信號、瑞利后向散射信號及背景噪聲，從 而提取待測光纖的布里淵后向散射信號； 步驟S5、對參考光纖和待測光纖的后向布里淵散射信號進行探測和采集； 步驟S6、重復步驟S1至S5累積信號，直至脈沖累計數(shù)達到預設值； 步驟S7、調(diào)節(jié)一次法布里-帕羅干涉儀的腔長，重復步驟S1至S6 ; 步驟S8、重復步驟S1至S7直至掃描獲得參考光纖和待測光纖的后向布里淵散射譜； 步驟S9、對單位距離內(nèi)參考光纖和待測光纖的后向布里淵散射譜進行擬合； 步驟S10、根據(jù)已知溫度和應變下的參考光纖的后向布里淵散射譜信息，及待測光纖中 后向布里淵散射譜的譜寬和頻移信息，得到待測光纖內(nèi)的溫度和應變信息。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感方法，其特征 在于， 步驟S9包括：對單位距離內(nèi)參考光纖和待測光纖的后向布里淵散射譜進行最小二乘 法擬合； 所述步驟S10包括：根據(jù)已知溫度和應變下的參考光纖的后向布里淵散射譜信息，及 待測光纖中后向布里淵散射譜的譜寬和頻移信息，利用光纖中譜寬和頻移與溫度和應變的 關(guān)系式，得到待測光纖內(nèi)的溫度和應變信息。
【專利摘要】本發(fā)明公開了本發(fā)明提供了一種基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感裝置，包括光學發(fā)射系統(tǒng)、光纖傳感系統(tǒng)、高光譜分辨掃描系統(tǒng)、光學濾波系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。本發(fā)明還公開了一種基于高光譜分辨技術(shù)的光纖溫度和應力傳感方法。本發(fā)明基于光纖布里淵散射作為溫度和應變的載波，分布式傳感溫度和應變；利用窄帶反射式可調(diào)諧布拉格光柵濾出光纖布里淵后向散射，利用腔長可調(diào)諧的法布里－帕羅干涉儀對光纖布里淵散射譜進行全光譜掃描，利用單光子技術(shù)探測光纖中后向布里淵散射信號；其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，相比于相干探測，降低了信號檢測和處理的難度和復雜性，提高了探測的距離分辨率和精度。
【IPC分類】G01D21-02
【公開號】CN104677421
【申請?zhí)枴緾N201510070444
【發(fā)明人】夏海云, 張強, 上官明佳, 申屠國樑, 王沖, 夏秀秀, 竇賢康, 潘建偉
【申請人】中國科學技術(shù)大學先進技術(shù)研究院
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月10日